一種超磁致伸縮壓力傳感器及該傳感器組合的製作方法
2023-05-11 12:50:41
專利名稱：一種超磁致伸縮壓力傳感器及該傳感器組合的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及壓力傳感器技術，具體為一種超磁致伸縮壓力傳感器及
該傳感器組合，國際專利分類號擬為Int.Cl.G01L 9/00 (2006.01) 技術背景
壓力傳感器在工業上有著廣泛地應用。
目前壓力傳感器應用較多的是電阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器。 電阻式壓力傳感器在測試應用時必須將應變片粘貼在被測試件上或者傳感器 的彈性元件上，因此，粘合劑的性能將直接影響應變計的工作特性，容易產 生測量誤差。此外，電阻式壓力傳感器主要用於靜力和低頻動態力的測量。 壓電式壓力傳感器主要用於動態力的測量，因其測量信號隨時間衰減的很 快，不宜用於靜態力的測量。另外，壓電材料的抗壓強度只有4MPa，所以 用壓電材料製作的壓力傳感器量程較小，使用範圍受到限制。
實用新型內容
針對現有技術的不足，本實用新型要解決的技術問題是，設計一種超磁 致伸縮壓力傳感器及該傳感器組合，該壓力傳感器具有輸出功率大，測試信 號準確，過載能力強，壽命長，維護方便，適應惡劣工作環境，同時適於靜 態和動態力的測量，可以採用電流激磁也可採用永磁激磁等優點。
本實用新型解決所述傳感器技術問題的技術方案是設計一種超磁致 伸縮壓力傳感器，其特徵在於所述傳感器的底座的內圓上垂直均布有三根超 磁致伸縮棒，其外圈垂直對稱布置有兩根永磁棒或兩個激磁線圈；所述兩根 永磁棒或兩個激磁線圈的上、下方分別安裝有圓盤形軟磁材料的上導磁板、 下導磁板，且其半徑略大於所述永磁棒或激磁線圈的安裝半徑；所述兩根永 磁棒充磁方向均為軸向，且方向相同；所述的兩個激磁線圈的繞制方向相 同，其電流方向也相同；所述永磁棒或激磁線圈的長度略短於所述超磁致伸
縮棒的長度，使安裝後的永磁棒或激磁線圈的頂面與上導磁板的底面之間留 有空隙，在該空隙中填充有非導磁的黏膠，並在其中粘貼固定霍爾元件；所 述的超磁致伸縮棒上繞有感應線圈；上導磁板通過螺釘組合安裝在承載塊 上，下導磁板通過底面螺釘安裝在底座上，外罩通過側面螺釘安裝下導磁板 上，並把底座上的各零件封裝為整體，但所述承載塊突出於封裝外罩的上表 面。
本實用新型解決所述傳感器組合技術問題的技術方案是設計一種大 量程傳感器組合，其特徵在於它由本發明所述的超磁致伸縮壓力傳感器為基 本單元構造，其具體構造是 一塊承力板平放在個傳感器基本單元I的所述 承載塊上，並依靠連接杆定位；每個傳感器基本單元用螺柱組件固定在傳感 器組合底座上；所述連接杆的下端用螺紋與傳感器組合底座連接，上端用螺 母與所述承力板固定，從而構成傳感器組合整體。
與現有技術相比，本實用新型所述超磁致伸縮壓力傳感器具有如下優 點因為超磁致伸縮壓力傳感器實施例採用了兩個霍爾元件和三個感應線圈 測量磁變化信號，所以傳感器靈敏度，精度高；因為可採用任意多個超磁致 伸縮壓力傳感器基本單元I的組合，所以傳感器量程大，且可調；因為設計 分別採用霍爾元件取靜磁場的信號和採用感應線圈提取變化磁場的信號，所 以該傳感器既適用於靜態力測量，也適用於動態力測量；由於超磁致伸縮材 料的相對磁導率較低，導磁性能差，而材料的尺寸較大，漏磁嚴重，因此在 壓力傳感器的結構設計中，使用磁性能良好的軟磁材料做上導磁板和下導磁 板，以有效防止磁洩漏，並採用聚磁原理，使其中超磁致伸縮棒所處的磁場 儘量均勻，這樣不但可以提高超磁致伸縮材料的利用率，減小材料內部應 力，而且還可以提高整個壓力傳感器的靈敏度、精度和線性度；本實用新型 可以採用永久磁鐵提供超磁致伸縮壓力傳感器的偏置磁場，所以不需激磁線 圈和供電系統，不耗電，不存在線圈發熱的問題，且使用壽命長，可以長期 無維護運行；本實用新型也可採用電流激磁方式，其提供的偏置磁場可調、 工作電壓也較低，具有優良的安全性能和可以反覆實驗的特點；因為超磁致 伸縮材料居裡溫度較高，為360 — 39(TC，工作溫度較寬，即使加熱到居裡 溫度以上，也只是瞬時地失去磁致伸縮特性而不會產生永久的退極化，可適 用於高溫等惡劣工作環境，當冷卻到居裡點溫度以下時，其磁致伸縮特性又
可完全恢復，故無過熱失效問題；超磁致伸縮材料機械響應時間僅百萬分之 一秒，比人的思維還快，因此製作的力傳感器響應速度快；因為超磁致伸縮 材料同一磁場下，隨著應力的增大到一定值，相對磁導率將趨於不變，而且
稀土鐵超磁致伸縮材料的壓縮屈服應力高達700Mpa，可經受住700MPa的壓 力而不損壞，所以超磁致伸縮壓力傳感器具有很高的承載能力，而且過載能 力強；因為該傳感器無需粘貼應變片，不需要中間耦合介質，在設計製造和 安裝方法上相對簡單。本實用新型採用以上措施後，感測信號輸出功率己經 足夠大，以至不需要信號放大系統或對放大環節要求降低，簡化了裝置結 構，提高了精度，這也是本實用新型傳感器優於壓電式傳感器之處。
圖1為本實用新型超磁致伸縮壓力傳感器一種實施例的整體結構主視
圖2為本實用新型超磁致伸縮壓力傳感器一種實施例的整體結構俯視
圖3為本實用新型4個超磁致伸縮壓力傳感器一種組合方式的實施例 主視圖(剖視圖)；
圖4為本實用新型4個超磁致伸縮壓力傳感器一種組合方式，但拆去 承力板18和螺母20後的實施例俯視圖5為本實用新型超磁致伸縮壓力傳感器選用的超磁致伸縮材料在不 同壓應力下相對磁導率與磁場強度的關係圖。
具體實施方式
下面結合實施例及其附圖進一步敘述本實用新型
本實用新型設計的超磁致伸縮壓力傳感器(以下簡稱傳感器)實施例
(參見圖1、 2所示)，其特徵在於所述傳感器的底座2的內圓上垂直均布 有三根超磁致伸縮棒6，其外圈垂直對稱布置有兩根永磁棒5或兩個激磁線 圈17;所述兩根永磁棒5或兩個激磁線圈17的上、下方分別安裝有圓盤形 軟磁材料的上導磁板8、下導磁板3，且其半徑略大於所述永磁棒5或激磁 線圈17的安裝半徑；所述兩根永磁棒5充磁方向均為軸向，且方向相同；
所述的兩個激磁線圈17的繞制方向相同，其電流方向也相同；所述永磁棒
5或激磁線圈17的長度略短於所述超磁致伸縮棒6的長度，使安裝後的永 磁棒5或激磁線圈17的頂面與上導磁板8的底面之間留有空隙，在該空隙 中填充有非導磁的黏膠，並在其中粘貼固定霍爾元件14;所述的超磁致伸 縮棒6上繞有感應線圈13;上導磁板8通過螺釘組合安裝在承載塊9上，下 導磁板3通過底面螺釘安裝在底座2上，外罩7通過側面螺釘4安裝下導磁 板3上，並把底座2上的各零件封裝為整體，但所述承載塊9突出於封裝外 罩7的上表面。
本實用新型傳感器的進一步信息是實施例所述的下導磁板3用4個底面 螺釘1安裝在傳感器的底座2上，永磁棒5或激磁線圈17及超磁致伸縮棒 6用粘接劑與下導磁板3連接；同樣，上導磁板8也是用粘接劑與超磁致伸 縮棒6連接，承載塊9用螺釘組合(10、 11、 12)與上導磁板8連接，外罩 7用側面螺釘4與下導磁板3連接，並把底座2上的各零件封裝為整體，但 所述承載塊9突出於封裝外罩7的上表面。工作時，施加的壓應力通過承 載塊9施加到上導磁板8上，再施加到超磁致伸縮棒6上；永磁棒5的長度 略短於超磁致伸縮棒6的長度，使永磁棒5和上導磁板8之間保留一空隙， 在該空隙中填充有非導磁的黏膠，並在其中粘貼固定霍爾元件14,以便測 量靜態壓力；同時在所述超磁致伸縮棒6上繞上感應線圈13，用於測量動 態壓力。
需要說明的是，本實用新型傳感器實施例所述的霍爾元件14和感應線 圈13是同時安裝的，但也可單獨安裝其中的一個，也即本實用新型傳感器 不排除安裝其中一個的設計。當僅要求測量靜態壓力時，傳感器就可只安裝 霍爾元件14;當僅要求測量動態壓力時，傳感器就可只安裝感應線圈13; 當要求既能測量靜態壓力又能測量動態壓力時，就需要同時安裝霍爾元件 14和感應線圈13。
本實用新型所述的超磁致伸縮棒6是由主要成分為Tb-Dy-Fe的稀土鐵 超磁致伸縮材料製成，可從市場直接購得。所述的稀土鐵超磁致伸縮材料是 指一種可以將機械能和磁能進行相互轉換的新型功能材料，具有磁機械耦合 係數高、響應速度快、能量密度高等優異特性。本實用新型傳感器利用的是 新型稀土鐵超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應。所述超磁致伸縮材料的磁致
伸縮逆效應是指在一定磁場中，給磁性體施加外力作用，其磁化強度發生變 化的現象。其工作原理為當向超磁致伸縮材料(超磁致伸縮棒)上施加壓 應力時，它的磁特性(磁導率)會立即發生變化，導致所述磁結構中的磁場 分布發生變化，根據該變化即可確定出所施加應力的大小。如果測定的應力 為靜態力，則可通過在磁結構的空氣隙處安裝霍爾元件14監測該處的磁感 應強度(如圖l所示)，從而得知施加在超磁致伸縮材料上的壓應力；如果測 定的應力為動態力，則可在磁結構的某處，如超磁致伸縮棒6上繞上感應線 圈13取得檢測信號(如圖1和圖2所示)，得知施加的動態壓應力。
本實用新型傳感器所述超磁致伸縮材料的磁致伸縮逆效應與外加的偏置 磁場有關。設計時，要首先測試超磁致伸縮材料在不同壓應力下的磁特性與 磁場的變化關係，以確定材料的最佳偏置磁場和施加的壓應力範圍，從而確 定其它磁元件如永磁材料(或線圈)、導磁板材料等的特性和尺寸。其中永 磁鐵提供超磁致伸縮壓力傳感器的偏置磁場，兩根永磁棒的尺寸相同，充磁 方向都為軸向，且方向相同；三根超磁致伸縮棒的尺寸相同，性能要求也完 全相同。
當偏置磁場較小時，超磁致伸縮材料的相對磁導率隨壓應力的變化較 大，製作的力傳感器靈敏度高，而當偏置磁場較大時，材料的相對磁導率隨 著施加壓應力的增大而減小緩慢，基本與壓應力無關，力傳感器靈敏度降 低，甚至不能工作。因此，製作的超磁致伸縮力傳感器的偏置磁場宜選在低 場範圍內，例如對美國Etrema公司生產的超磁致伸縮棒的偏置磁場宜選在 20kA/m以下(參見圖5)。
另外當磁場較小時，在一定的壓應力範圍內，超磁致伸縮材料的相對磁 導率在不同壓應力下變化較大；隨著施加壓應力的增大超磁致伸縮材料的相 對磁導率減小緩慢，最後趨於不變，這時的壓應力為超磁致伸縮力傳感器的 最大測量值，例如利用美國Etrema公司生產的超磁致伸縮棒製作的力傳感 器的最大測量值為18MPa (參見圖5)。
對於不同批次、廠家的超磁致伸縮材料，其相對磁導率與壓應力的關係 特性是不同的。因此，需要根據設計的力傳感器的測力範圍、靈敏度和尺寸 的要求，對具體的超磁致伸縮材料進行具體分析，確定其工作點的偏磁磁 場，因為激勵過小或過大都會使靈敏度降低。例如對利用美國Etrema公司
生產的超磁致伸縮棒的偏置磁場宜選在10-20kA/m，製作的力傳感器的最大 測量值為18MPa。這時，可以通過選用不同截面積的超磁致伸縮棒來獲得力 傳感器不同的壓力測量範圍。
本實用新型傳感器工作的偏置磁場可以採用電流激磁提供，也可採用永 久磁鐵提供。由於永磁激磁提供的磁場穩定，響應快，節能，不需激磁線圈 和供電系統，所以具有不耗電，不存在線圈發熱的問題，可以長期無維護運 行等優點，而且在設計和製造相對簡單，成本低廉。本實用新型實施例採用 了永久磁鐵提供傳感器工作所需的偏置磁場。當要求提供的偏置磁場可調、 需要進行反覆實驗時，本實用新型傳感器也可採用電流激磁來提供傳感器工 作所需的偏置磁場。這時可以採用在圖2所示的兩個永磁棒5位置分別用兩 個激磁線圈17來代替，這兩個激磁線圈的繞制方向相同，其電流方向也相 同。
本實用新型所述傳感器的結構左右方向對稱。當在三根超磁致伸縮棒6 上施加一個壓應力時，每根超磁致伸縮棒6會均勻分擔該壓應力，使其磁導 率發生變化。在磁結構中磁動勢不變的條件下，磁結構中的磁通就會發生相 應的變化，從而感知該壓應力。本實用新型傳感器可以通過調節超磁致伸縮 棒的截面積來微調要測量壓力的大小。
本實用新型的進一步特徵是，以本實用新型設計的超磁致伸縮壓力傳感 器為基本單元I構造大量程傳感器組合(以下簡稱傳感器組合，參見圖3、 4)。傳感器組合的構造方式根據需要可以是多種多樣的。本實用新型實施 例給出的僅是其一種組合方式(參見圖3、 4)，它主要包括傳感器組合底 座15;螺柱組件16;傳感器基本單元I;承力板18;連接杆19和螺母20。 其具體構造為 一塊中心帶有凸臺21的承力板18平放在4個傳感器基本單
元I的所述承載塊9上，並依靠連接杆19定位；每個所述傳感器基本單元I
用螺柱組件16固定在傳感器組合底座15上；所述連接杆19的下端用螺紋 與傳感器組合底座15連接，上端用螺母20與承力板18固定，從而構成一 個傳感器組合整體。工作時，載荷施加在承力板18的凸臺21上，從而使4 個傳感器基本單元I的承載塊9承載著力。由於結構對稱，4個傳感器基本 單元I均勻分布，故均勻受力。4個傳感器基本單元I的測量值之和即為傳感 器組合總的測量值。根據這種設計原理，本實用新型的傳感器基本單元I構
成傳感器組合後，適載量程可以成倍增加。當採用增大超磁致伸縮棒的截面 積不能滿足擴大量程的要求時，即可採用多個傳感器基本單元I的適當組 合。
本實用新型未述及之處適用於現有技術。
權利要求1.一種超磁致伸縮壓力傳感器，其特徵在於所述傳感器的底座的內圓上垂直均布有三根超磁致伸縮棒，其外圈垂直對稱布置有兩根永磁棒或兩個激磁線圈；所述兩根永磁棒或兩個激磁線圈的上、下方分別安裝有圓盤形軟磁材料的上導磁板、下導磁板，且其半徑略大於所述永磁棒或激磁線圈的安裝半徑；所述兩根永磁棒充磁方向均為軸向，且方向相同；所述的兩個激磁線圈的繞制方向相同，其電流方向也相同；所述永磁棒或激磁線圈的長度略短於所述超磁致伸縮棒的長度，使安裝後的永磁棒或激磁線圈的頂面與上導磁板的底面之間留有空隙，在該空隙中填充有非導磁的黏膠，並在其中粘貼固定霍爾元件；所述的超磁致伸縮棒上繞有感應線圈；上導磁板通過螺釘組合安裝在承載塊上，下導磁板通過底面螺釘安裝在底座上，外罩通過側面螺釘安裝下導磁板上，並把底座上的各零件封裝為整體，但所述承載塊突出於封裝外罩的上表面。
2. —種大量程傳感器組合，其特徵在於其由權利要求1所述的超磁 致伸縮壓力傳感器為基本單元構造，其具體構造是 一塊承力板平放在個傳 感器基本單元I的所述承載塊上，並依靠連接杆定位；每個傳感器基本單元用螺柱組件固定在傳感器組合底座上；所述連接杆的下端用螺紋與傳感器組 合底座連接，上端用螺母與所述承力板固定，從而構成傳感器組合整體。
專利摘要本實用新型涉及一種超磁致伸縮壓力傳感器及該傳感器組合，該傳感器特徵在於傳感器底座內圓上垂直均布有三根超磁致伸縮棒，其外圈垂直對稱布置有兩根永磁棒或兩個激磁線圈；它們的上、下方分別安裝有圓盤形上、下導磁板，且其半徑略大於永磁棒或激磁線圈的安裝半徑；兩根永磁棒充磁方向均為軸向，且方向相同；兩個激磁線圈的繞制方向相同，其電流方向也相同；永磁棒或激磁線圈的長度略短於超磁致伸縮棒的長度，使永磁棒或激磁線圈的頂面與上導磁板的底面之間留有空隙，其間填充有非導磁的黏膠，並粘貼霍爾元件；超磁致伸縮棒上繞有感應線圈；上導磁板安裝在承載塊上，下導磁板安裝在底座上，外罩安裝在下導磁板上，並把底座上的各零件封裝為整體，但所述承載塊突出於封裝外罩的上表面。該傳感器組合由本實用新型所述傳感器為基本單元構造。
文檔編號G01L9/16GK201184830SQ20072009736
公開日2009年1月21日 申請日期2007年9月7日 優先權日2007年9月7日
發明者劉福貴, 周曉冬, 煜 夏, 張順心, 楊慶新, 樊長在, 童保林, 閆榮格 申請人:河北工業大學;秦皇島市科技投資公司